测电阻的不同方法

2020-02-28 11:50李叶贤
广东教育·高中 2020年1期
关键词:内阻阻值变阻器

李叶贤

纵观近三年的高考全国Ⅰ卷物理部分试题,对测量电阻知识的考查是电学实验的重、难点,出题概率极高,具体体现为利用伏安法、等效替代法、半偏法、电桥法等方法对电阻进行测量,考查学生对电路连接、常见问题处理及注意事项、如何完善测电阻的电路等知识的掌握程度,属于探究类题型. 学生刚接触此类题目时容易产生慌乱心理,不知如何入手去分析解答,失分现象十分严重,其实解答此类问题并不难,下面为同学们支招,增强学习的自信心.

一、最简单直接的测量方法——多用电表测电阻

如图1所示为多用电表测电阻的原理图,由闭合电路欧姆定律得由上式可知:通过灵敏电流计的电流I虽与待测电阻Rx不呈线性关系,但存在一一对应关系,即测出相应的电流,就可算出相应的电阻阻值,并把它们在表盘上直接标示出来.

【例1】用多用电表的欧姆挡测量阻值约为几十千欧的电阻Rx,其中S为选择开关,P为欧姆挡调零旋钮. 按照以下的实验操作步骤进行测量:

a. 旋转S使其尖端对准欧姆×1k挡.

b. 将两表笔短接,调节P使指针对准刻度盘上欧姆挡的0刻度,断开两表笔.

c. 将两表笔分别连接到被测电阻的两端,读出Rx的阻值后,断开两表笔.

d. 旋转S使其尖端对准交流电压挡最大量程或OFF挡,并拔出两表笔.

如图2所示指针位置,此时被测电阻的阻值约为______Ω.

解析:题目中要求测量几十千欧的电阻,由选择倍率为“×1k”的歐姆挡,根据欧姆表的读数原理,可以得出欧姆表的读数为30kΩ. 多用电表测电阻简单快捷,但由于欧姆表的表盘刻度不均匀,实验误差较大,一般只能粗测电阻的阻值.

二、最广泛的测量方法——伏安法测电阻

伏安法测电阻是电学实验的基础,也是高考考查的热点、难点,考查内容主要涉及电压表、电流表的选择以及实物连线等. 它渗透在电学实验的各个环节中,如:测未知电阻、测电阻率、测各种电表内阻等实验.

【例2】有一根细长而均匀的金属管样品,横截面如图3所示. 此金属管长约30cm,电阻R约10Ω. 已知此金属管材料的电阻率为?籽,因管内中空部分截面形状不规则,无法直接测量.

(1)按照如图4所示设计的电路图,连成实际测量电路.

(2)实验中要测量的物理量有_____

___________,计算金属管内部中空部分截面积S0的表达式为S0=__________.

解析:(2)根据电阻定律R=得S=,则样品中空部分面积S0=a2-S=a2-=a2-即实验中需要测量样品的长度L,样品两端的电压U,通过样品的电流I,样品的边长a.

伏安法测电阻的考查主要体现在测量电路的设计上,要紧扣部分电路的欧姆定律,要注意被测得的物理量有时需要进行适当的转换,还要分析好给出的电路.

除了伏安法测电阻,还有如图5(a)、(b)所示的伏伏法、安安法电阻电路. 在缺少合适的电压表的情况下,可用已知内阻的电流表串联定值电阻当做电压表使用;在缺少合适的电流表的情况下,可用已知内阻的电压表并联定值电阻当做电流表使用. 用电流(压)表代替电压(流)表使用,是电学创新设计电路的高频考点.

三、最精确的测量方法——等效替代法测电阻

测电阻最精确方法是等效替代法. 等效替代的实质是当某一电阻替代电路中的另一电阻后,若电路中的总电流或路端电压不发生变化,那么替代的电阻与被替代的电阻阻值是相等的. 它可以很精确地将一个未知电阻的阻值测量出来. 等效替代法主要有以下两种方案:一是电压等效替代,二是电流等效替代. 如图6(c)、(d)所示分别为电压等效替代测电阻和电流等效替代测电阻的电路图.

【例3】某同学现利用图7所示的电路来测量一电阻Rx的阻值.

(1)完成下列实验步骤中的填空:

①闭合开关S1,断开开关S2,调节电阻箱R和滑动变阻器R′,使电流表指针指向一个适当的位置. 记下此时电流表的示数I和电阻箱的阻值R1. 此时电阻箱的读数如图8(e)所示;

②保持滑动变阻器的滑片位置不变,然后调节电阻箱R的电阻,闭合开关S2,使电流表的读数仍然为I,记下此时电阻箱的读数R2,此时电阻箱的读数如图8(f)所示:

(2)在步骤①中电阻箱的读数为R1=______Ω;在步骤②中电阻箱的读数为R2=______Ω.

(3)电阻Rx的阻值为Rx=______Ω.

解析:(2)由图8(e)和图8(f)可知R1=60Ω,R2=80Ω.

(4)由于R1加上Rx在电路中所起的作用与R2相同(电流表指针指向同一位置),则有R1+Rx=R2,故有Rx=R2-R1=80Ω-60Ω=20Ω.

四、最专一的测量方法——半偏法测电表内阻

半偏法的本质是根据电路中电压或电流的变化,来确定电路中被测电阻阻值的大小,这种思维实质上是根据串联电路的分压或并联电路的分流来实现的. 如图9(g)、9(h)所示分别为半偏电流法和半偏电压法测电阻电路图. 半偏电流法适宜测量小电阻,但测量结果偏小;半偏电压法适宜测量大电阻,但测量结果偏大.

【例4】(2015·全国卷Ⅱ改编)电压表满偏时通过该表的电流是半偏时通过该表电流的两倍. 某同学利用这一事实测量电压表的内阻(半偏法),实验室提供的器材如下:

a. 待测电压表■:量程3V,内阻约为3000Ω;

b. 电阻箱R0:最大阻值为99 999.9Ω;

c. 滑动变阻器R1:最大阻值100Ω,额定电流2A;

d. 电源E:电动势6V,内阻不计;

e. 开关两个,导线若干.

(1)该同学设计的测量电压表内阻的电路图如图(10)所示.

(2)实验步骤如下:移动滑动变阻器的滑片,以保证通电后电压表所在支路分压最小;闭合开关S1、S2,调节R1,使电压表的指针满偏;保持滑动变阻器滑片的位置不变,断开S2,调节电阻箱R0,使电压表的指针半偏;读取电阻箱所示的电阻值R0=3500Ω,则电压表内阻RV`=______Ω.

(3)将这种方法测出的电压表内阻记为RV`,与电压表内阻的真实值RV相比,RV`____RV(填“>”“=”或“<”).

解析:(2)由半偏法测电阻的原理知,如果电压表和电阻箱R0所在支路总电压不变,电压表由满偏变半偏,则电流减半,总电阻增加一倍,故有:R0=RV`=3500Ω;(3)断开S2,调节电阻箱使电压表成半偏状态,电压表和电阻箱R0所在支路总电阻实际上是增加了,分得的电压也增大了,则R0两端的电压大于电压表的半偏电压,故RV`>RV.

五、最独特的测量方法——电桥法测电阻

在电阻的测量方法中,有一种很独特的测量方法,那就是电桥法,其测量电路如图11所示. 实验中调节电阻箱R3,当A、B两点的电势相等时,R1和R3两端的电压相等,设为U1. 同时R2和Rx两端的电压也相等,设为U2. 根据欧姆定律有由以上两式解得这就是电桥平衡的条件,由该平衡条件也可求出被测电阻Rx的阻值.

【例5】(2017·全国卷Ⅱ改编)某同学利用如图12所示的电路测量一微安表(量程为100μA,内阻大约为2500Ω)的内阻. 可使用的器材有:两个滑动变阻器R1、R2(其中一个阻值为20Ω,另一个阻值为2000Ω);电阻箱Rz(最大阻值为99999.9Ω);电源E(电动势约为1.5V);单刀开关S1和S2. C、D分别为两个滑动变阻器的滑片.

(1)按原理图11将实物连线.

(2)完成下列填空:

①R1的阻值为________ Ω(填“20”或“2000”).

②为了保护微安表,开始时将R1的滑片C滑到接近图(11)中滑动变阻器的左端对应的位置;将R2的滑片D置于中間位置附近.

③将电阻箱Rz的阻值置于2500.0Ω,接通S1. 将R1的滑片置于适当位置,再反复调节R2的滑片D的位置. 最终使得接通S2前后,微安表的示数保持不变,这说明S2接通前B与D所在位置的电势________(填“相等”或“不相等”).

④将电阻箱Rz和微安表位置对调,其他条件保持不变,发现将Rz的阻值置于2 601.0Ω时,在接通S2前后,微安表的示数也保持不变. 待测微安表的内阻为________ Ω(结果保留到个位).

解析:(2)R1起分压作用,应选用最大阻值较小的滑动变阻器,即R1的电阻为20Ω;反复调节D的位置,使闭合S2前后微安表的示数不变,说明闭合后S2中没有电流通过,B、D两点电势相等;将电阻箱Rz和微安表位置对调,其他条件保持不变,发现将Rz的阻值置于2601.0Ω时,在接通S2前后,微安表的示数也保持不变. 由电桥平衡的条件得则解得R?滋A=2550Ω.

其实,电阻的测量说难也不难. 实际上,只要学生掌握了电阻测量的常用电路、方法、技巧,摸清各知识点的结构体系,以点带面,用面促点,使所掌握的知识相互关联而不孤立零碎,使知识在头脑中清晰化、网络化,同学们还是能顺利地解决此类问题的.

责任编辑 李平安

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